ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 6, с. 754-763
УДК 551.583
КЛИМАТИЧЕСКИЕ ТРЕНДЫ ТЕМПЕРАТУРЫ, ЗОНАЛЬНОГО ПОТОКА И СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАНЕТАРНЫХ ВОЛН ПО ДАННЫМ
NCEP/NCAR РЕАНАЛИЗА
© 2007 г. А. Ю. Канухина, Л. А. Нечаева, Е. В. Суворова, А. И. Погорельцев
Российский государственный гидрометеорологический университет, 195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский просп., 98 E-maiLapogor@rshu.ru Поступила в редакцию 10.04.2006 г., после доработки 18.05.2007 г.
Выполнен детальный анализ климатических трендов осредненной по долготе температуры, зональной составляющей скорости ветра и активности стационарной планетарной волны с зональным волновым числом 1 (СПВ1) для января. Полученные результаты показывают, что наблюдаются заметные климатические изменения температуры нижней атмосферы, которые имеют противоположный знак в низких и высоких широтах. Эти изменения вызывают соответствующие изменения интенсивности и расположения максимумов тропосферных струйных течений и тем самым - изменения условий распространения СПВ1. Расчеты распространения СПВ1 из тропосферы в верхнюю атмосферу, выполненные с помощью линеаризованной модели и использованием распределений среднезонального потока характерных для 60-х годов XX и начала XXI века, показывают, что за последние 40 лет условия распространения "в среднем" улучшились и рассчитанная амплитуда СПВ1 в стратосфере и мезосфере зимнего полушария существенно возросла. Анализ амплитуд зональной скорости ветра для СПВ1, полученных из данных NCEP/NCAR, согласуется с результатами моделирования и показывает, что действительно наблюдается некоторое усиление активности СПВ1 в нижней стратосфере за последние годы. Эти изменения в амплитудах сопровождаются также усилением межгодовой изменчивости СПВ1.
1. ВВЕДЕНИЕ
Результаты анализа экспериментальных данных показывают, что за последние несколько десятилетий в нижней стратосфере температура постоянно уменьшается [1-3]. Отрицательный тренд температуры наблюдается также в мезосфере, вплоть до высот порядка 90 км [4-6]. Значимые климатические тренды были выявлены также в различных тропо-стратосферных полях и процессах. Например, значительный положительный тренд, начиная с 1960 до 1990-х гг. наблюдался в индексах Северо-Атлантической (North Atlantic Oscillation - NAO), Арктической Осцилляции (Arctic Oscillation - AO) и в зонально-осредненном угловом моменте [3, 7, 8]. Имеется также ряд теоретических и экспериментальных исследований, объясняющих долгопериодную изменчивость AO (или Northern Hemisphere Annular mode - NAM) как результат внутреннего взаимодействия зонального потока и планетарных волн (ПВ) [8-12]. В работах [13, 14] было также установлено, что межгодовая изменчивость стратосферной температуры и содержания озона в Арктической полярной области зимой регулируется вертикальным потоком Элиассена-Пальма (Э-П) через тропопаузу. Подобная корреляция между стратосферной темпе-
ратурой, индексами NAM и/или зонально-осред-ненного углового момента и потоком Э-П наблюдается в зимний сезон также на годовых временных масштабах [3]. Однако предположение, что подобная корреляция будет иметь место также на масштабах десятилетий, не подтвердилось анализом [3], и было сделано заключение, что отрицательный климатический тренд в температуре нижней стратосферы обусловлен радиационным выхолаживанием (например, в результате уменьшения содержания озона). С другой стороны, результаты моделирования с использованием линейных моделей показали, что условия распространения стационарных планетарных волн (СПВ) чрезвычайно чувствительны к вариациям средне-зонального потока в тропосфере [15, 16]. Этот факт позволяет предположить, что наблюдаемые климатические тренды в индексах NAM и/или зо-нально-осредненного углового момента должны проявляться в амплитудах СПВ на высотах стратосферы. В настоящей работе был выполнен анализ долгопериодной изменчивости среднезональных характеристик и СПВ с зональным волновым числом 1 (СПВ1) в тропо-стратосфере на основе данных NCEP/NCAR (National Center for Environmental Prediction - National Center for Atmospheric Research)
реанализа [17, 18]. Результаты анализа данных NCEP/NCAR дополнены расчетами распространения СПВ1 из тропосферы в стратосферу и мезо-сферу, выполненные с использованием линеаризованной модели [19, 20].
2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ NCEP/NCAR И МЕТОД АНАЛИЗА
В качестве исходных данных использовались распределения температуры, геопотенциальной высоты и зонального потока в тропо- и стратосфере для января за весь период NCEP/NCAR реанализа, т.е. с 1948 по 2004 год. Значения параметров соответствуют узлам пространственной сетки с шагом 2.5 на 2.5 градуса. Временной интервал предоставленных значений - 6 часов. Для анализа нами использовались данные на 8-ми изобарических поверхностях, а именно: 1000, 500, 400, 300, 200, 100, 30, 10 гПа. Известно, что наибольшая активность СПВ в стратосфере наблюдается в зимний период [15, 16]. Кроме этого, данные реанализа для Северного полушария более надежны [17, 18], поэтому для исследования возможных климатических изменений среднезональных характеристик и СПВ был выбран январь. Вначале для каждого момента времени и на каждой широте долготные изменения метеорологических параметров представлялись в виде суммы среднезонального значения и суперпозиции 12 зональных гармоник, для которых определялись значения амплитуды и фазы (положения гребня соответствующей гармоники). По найденным значениям амплитуд и фаз на каждой широте рассчитывались реальные и мнимые части комплексной амплитуды для каждой зональной гармоники и вычислялись их среднемесячные значения. В результате такого осреднения отфильтровывались или, по крайней мере, существенно ослаблялись эффекты бегущих планетарных волн, периоды которых меньше месяца (например, 16-, 10- и 5-дневных нормальных атмосферных мод). Далее проводилось осреднение по 11-летним интервалам (1948-1958, 1959-1969, 1970-1980, 1981-1991, 1992-2002). Такой интервал осреднения был выбран для устранения влияния 11-летнего цикла солнечной активности [21, 22] и подавления межгодовой изменчивости. Кроме этого, использование при анализе СПВ значений, осредненных за 11 лет, позволяет дополнительно уменьшить вклад бегущих планетарных волн. Для оценки межгодовой изменчивости среднезональ-ной температуры и зонального потока использовались данные NCEP/NCAR за весь временной интервал реанализа, т.е. с 1948 г. Однако предварительные результаты показали, что в течение первых лет реанализа некоторые хорошо извест-
Рис. 1. Широтно-высотные распределения температуры (а) и среднеквадратичных отклонений (б), характеризующих ее межгодовую изменчивость в январе 1981-1991 гг. Интервалы между контурами 5 и 0.25 К соответственно.
ные явления (например, квазидвухлетние колебания зонального потока в экваториальной стратосфере) воспроизводятся недостаточно корректно (возможно, из-за недостаточного объема стратосферных данных наблюдений в эти годы, ассимилированных в модели [17, 18]), и в дальнейшем для оценки возможных климатических изменений атмосферных характеристик использовались только данные NCEP/NCAR с 1959 г.
3. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЗОНАЛЬНОГО ПОТОКА
В результате описанной выше процедуры были получены широтно-высотные (в качестве вертикальной координаты использовалась ^-изобарическая высота г = -Н\о% (р/1000), где р - давление в гПа, Я = 7 км) распределения среднезональных значений температуры и зонального потока для января, осредненные за 1959-1969, 1970-1980,
Рис. 2. Скорость линейного изменения среднезональ-
ной температуры в январе (К/декаду).
1981-1991 и 1992-2002 гг. соответственно. Кроме этого, были рассчитаны также среднеквадратичные отклонения среднемесячных величин, которые характеризуют их межгодовую изменчивость внутри рассматриваемых 11-летних временных интервалов. В качестве примера на рис. 1 показаны полученные широтно-высотные распределения среднезональной температуры (а) и среднеквадратичные отклонения (б), рассчитанные для временного интервала 1981-1991 гг. Из рис. 16 видно, что значительная межгодовая изменчивость температуры наблюдается только в стратосфере высоких широт зимнего полушария. Это, по-видимому, является проявлением эффектов внезапных стратосферных потеплений. Следует отметить, что в низких широтах межгодовая изменчивость среднезональной температуры внутри 11-летнего временного интервала незначительна, из чего следует, что не наблюдается заметного проявления эффектов 11-летнего солнечного цикла в значениях температуры тропо- и стратосферы.
Для оценки долгопериодных (климатических) трендов температуры по методу наименьших квадратов с использованием осредненных за последовательные 11-летние временны е интервалы распределений температуры, т.е. Т(1970-1980) -Т(1959-1969) и т.д., была рассчитана скорость линейного изменения температуры в тропо-страто-сфере. Полученная таким образом скорость изменения температуры в 1959-2002 гг. показана на рис. 2, из которого видно, что нижняя стратосфера средних широт и над экватором в среднем охлаждается. Однако высокоширотная стратосфера в обоих полушариях существенно нагревается. Следует также отметить, что в зимнем полушарии на
30 25 20 15 10 5 0
-90 -60 -30 0 30 60 90
Широта, град
Рис. 3. Широтно-высотные распределения зонального потока (а) и среднеквадратичных отклонений (б), характеризующих его межгодовую изменчивость в январе 1981-1991 гг. Интервалы между контурами 5 и 0.5 м/с соответственно.
высотах порядка 10 км скорость изменения температуры имеет различный знак в низких (нагрев) и высоких (охлаждение) широтах. Сопоставляя полученный результат с климатическим распределением температуры (см., например, рис. 1а), получаем, что в среднем происходит увеличение абсолютной величины широтного градиента температуры на средних широтах в тропосфере, что должно приводить к усилению тропосферного струйного течения в зимнем полушарии. Для проверки этого предположения был выполнен аналогичный анализ скорости изменения зональной скорости ветра в 1959-2002 гг. В качестве примера на рис. 3 показаны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.